Versuch auf dem Mars: Rover-Experiment liefert Sauerstoff

Fünfzig Gramm Sauerstoff sind für ein Raumschiff auf dem Flug vom Mars zur Erde zu wenig, aber sie sind ein guter Anfang. Ein Experiment des Marsrovers „Perseverance“ (deutsch: Beharrlichkeit) der US-Raumfahrtbehörde Nasa zeigt, dass Sauerstoff auf dem Mars hergestellt werden könnte.

Künftigen Marsmissionen könnte das Kosten sparen. Denn das besagte Raumschiff würde etwa 31 Tonnen Sauerstoff und dazu neun Tonnen Methan benötigen, um nach einer Expedition auf die Oberfläche des Planeten sechs Personen von dort wieder zurückzubringen.

Solche Mengen von der Erde mitzubringen, wäre nicht nur teuer, sondern es würde sehr viel Energie verschlingen. Der Sauerstoff ließe sich – auch in benötigten Mengen – auf dem Mars herstellen, berichten Jeff Hoffman vom Massachusetts Institute of Technology (MIT) im US-amerikanischen Cambridge und sein Team in der Zeitschrift „Science Advances“.

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Sauerstoff muss von anderen Elementen getrennt werden

„Das ist ein hoffnungsvoller Schritt“, sagt Ulrich Köhler vom Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) in Berlin-Adlershof, der an der Studie des US-Teams nicht beteiligt war. „Wenn wir Menschen auf den Mars und später zurück auf die Erde bringen wollen, ist es sinnvoll, Ressourcen für den Rückflug dort zu gewinnen“, sagt der DLR-Wissenschaftler.

Allein der Transport der benötigten 40 Tonnen Sauerstoff und Methan von der Erde bis auf die Oberfläche des Mars würde rund 500 Tonnen zusätzlichen Treibstoff erfordern. Gibt es unterwegs keine Möglichkeit zum Auftanken, verringert diese Last die mögliche Zuladung und die Möglichkeiten einer solchen Mission erheblich.

Sauerstoff kommt in der Atmosphäre der Erde in Form von zwei verbunden Atomen in Reinform vor, auf dem Mars aber nur in Form unterschiedlicher Verbindungen mit anderen Elementen. Aus diesen könnte er aber freigesetzt werden.

Auf der Oberfläche des Mars liegt etwa viel roter Staub, der vor allem aus Rost besteht. Mit Wasserstoff könnte man die Bestandteile des Eisenoxids Eisen und Sauerstoff trennen. Den benötigten Wasserstoff müsste man jedoch zunächst aus Wasser herstellen. Davon gibt es auf dem Roten Planten ebenfalls große Mengen, in Form von Eis an den Polkappen und im Untergrund. Es abzubauen und zu transportieren wäre aber relativ aufwändig.

Eineinhalb Stunden bei 800 Grad

Eine Alternative für die Sauerstoffproduktion wäre die Freisetzung aus Kohlendioxid, das man direkt aus der Marsluft holen kann: Die Atmosphäre des Planeten ist mit fünf bis zehn Millibar allerdings recht dünn. Der Luftdruck beträgt damit weniger als ein Hundertstel des Luftdrucks auf der Erde. Aber die Marsatmosphäre besteht zu 95 Prozent aus Kohlendioxid, erklären Jeff Hoffman und sein Team. Damit ist diese Ressource überall auf dem Planeten verfügbar.

Im „Mars Oxygen In-Situ Resource Utilization Experiment“ oder kurz „Moxie“ an Bord des Perseverance-Rovers, hat die US-Forschungsgruppe jetzt untersucht, wie man aus dem Kohlendioxid Sauerstoff gewinnen kann. Dabei komprimiert ein auf der Erde zum Beispiel in Wärmepumpen eingesetzter Scroll-Verdichter die Mars-Luft auf rund das Hundertfache des ursprünglichen Drucks, während mit einem Filter der allgegenwärtigen Mars-Staub entfernt wird.

Bei einer Temperatur von rund 800 Grad Celsius spaltet eine Elektrolyse einen Teil des Kohlendioxids in Sauerstoff und Kohlenmonoxid. Das gelingt bei einer Spannung zwischen 0,9 und einem Volt. Übersteigt die Spannung dagegen 1,15 Volt, wird des Kohlendioxid in Sauerstoff und Kohlenstoff gespalten, der sich auf der Kathode der Elektrolyse-Kammer niederschlagen und so das Gerät zerstören kann.

In sieben, jeweils bis eineinhalb Stunden dauernden Versuchen zwischen dem 20. April und dem 29. November 2021 wurden so insgesamt 49,9 Gramm Sauerstoff hergestellt. „Damit hat das US-Team gezeigt, dass eine wichtige Ressource für den Rückflug einer bemannten Mars-Mission auf dem Roten Planeten hergestellt werden kann“, erklärt DLR-Forscher Köhler. „Allerdings müsste die Apparatur dafür erheblich vergrößert werden.“ Die Elektrolyse lieferte sechs bis acht Gramm Sauerstoff pro Stunde, später sollte die Produktion auf zwei bis drei Kilogramm pro Stunde erhöht werden.

Die Analyse der Moxie-Daten und weitere Versuche in Labors auf der Erde sollen zeigen, wie diese Vergrößerung gelingen könnte, schlagen Jeff Hoffman und sein Team vor. Die bislang sehr einfache Versuchssteuerung und das Kontrollsystem müssten dazu angepasst werden. Zudem soll die auf dem Mars-Rover für die Stromproduktion verwendete Atombatterie durch Solarzellen und Batterien ersetzt werden.